Les chercheurs ont mené une expérience de 16 ans pour contester la théorie générale de la relativité d’Einstein. L’équipe internationale a observé les étoiles – une paire d’étoiles extrêmes appelées pulsars – à travers sept radiotélescopes à travers le monde. Crédit : Institut Max Planck de radioastronomie
Cela fait plus de cent ans qu’Einstein a formalisé sa théorie de la relativité générale (RG), la théorie géométrique de la gravité qui a révolutionné notre compréhension de l’univers. Cependant, les astronomes sont toujours soumis à des tests rigoureux, dans l’espoir de trouver des écarts par rapport à cette théorie bien établie. La raison est simple : tout indicateur de physique au-delà de la GR ouvrirait de nouvelles fenêtres sur l’univers et aiderait à résoudre certains des mystères les plus profonds de l’univers.
L’un des tests les plus rigoureux jamais réalisés a été récemment effectué par une équipe internationale d’astronomes dirigée par Michael Kramer de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn, en Allemagne. À l’aide de sept radiotélescopes du monde entier, Kramer et ses collègues ont observé une paire unique de pulsars pendant 16 ans. Dans le processus, ils ont observé pour la première fois les effets prédits par les RG, et avec santé Au moins 99,99 % !
En plus des chercheurs du MPIfR, Kramer et ses collègues ont été rejoints par des chercheurs d’institutions de dix pays différents – dont le Jodrell Bank Center for Astrophysics (Royaume-Uni), l’ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (Australie) et l’Ocean Institut. Pour la physique théorique (Canada), Observatoire de Paris (France), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italie), Observatoire sud-africain de radioastronomie (SARAO), Institut néerlandais de radioastronomie (ASTRON), Observatoire d’Arecibo.
Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide qui émettent des faisceaux étroits d’ondes radio. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Les « pulsars radio » sont une classe spéciale d’étoiles à neutrons à rotation rapide qui sont hautement magnétiques. Ces objets ultra-denses émettent de puissants faisceaux radio depuis leurs pôles qui (lorsqu’ils sont combinés à leur rotation rapide) créent un puissant effet de balise. Les astronomes sont fascinés par les pulsars car ils fournissent une mine d’informations sur la physique qui régit les objets ultra-petits, les champs magnétiques, le milieu interstellaire (ISM), la physique planétaire et même la cosmologie.
De plus, les forces gravitationnelles intenses permettent aux astronomes de tester les prédictions faites par les théories gravitationnelles telles que GR et Dynamique newtonienne modifiée (MOND) dans certaines des conditions les plus difficiles imaginables. Pour leur étude, Kramer et son équipe ont examiné le PSR J0737-3039 A/B, un système « double étoile » situé à 2 400 années-lumière de la Terre dans Chiots Constellation.
Ce système est la seule radio pulsar jamais binaire et a été découvert en 2003 par des membres de l’équipe de recherche. Les deux pulsars qui composent ce système ont des révolutions rapides – 44 fois par seconde (A), une fois toutes les 2,8 secondes (B) – et orbitent l’un autour de l’autre pendant seulement 147 minutes. Bien qu’il soit environ 30% plus grand que le Soleil, il ne mesure qu’environ 24 km (15 mi) de diamètre. D’où sa gravité intense et ses champs magnétiques intenses.
En plus de ces propriétés, la période orbitale rapide de ce système en fait un laboratoire quasi parfait pour tester les théories gravitationnelles. Comme l’a déclaré le professeur Kramer dans un récent communiqué de presse pour MPIfR :
« Nous avons étudié un système d’étoiles compressées et sommes un laboratoire sans égal pour tester les théories de la gravité en présence de champs gravitationnels très forts. Pour notre plus grand plaisir, nous avons pu tester la pierre angulaire de la théorie d’Einstein, l’énergie qu’elle transporte ondes gravitationnelles, avec une précision 25 fois meilleure que celle du pulsar Hulse-Taylor, lauréat du prix Nobel, et 1 000 fois meilleure que ce qui est actuellement possible avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles. »
Vue d’artiste de la trajectoire de l’étoile S2 passant près de Sagittarius A*, qui permet également aux astronomes de tester les prédictions faites par la relativité générale dans des conditions extrêmes. Crédit : ESO/M. Kornmeiser
Sept radiotélescopes ont été utilisés pour la campagne d’observation de 16 ans, dont le radiotélescope Parkes (Australie), le télescope Green Bank (États-Unis), le radiotélescope Nansai (France), le télescope Eiffelberg 100m (Allemagne), le radiotélescope Lovell (Royaume-Uni), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Pays-Bas) et Very Long Core Array (États-Unis).
Ces observatoires couvraient différentes parties du spectre radio, allant de 334 MHz et 700 MHz à 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz et 2520 MHz. Ce faisant, ils ont pu voir comment les photons provenant de ce pulsar binaire étaient affectés par sa forte gravité. Comme l’a expliqué le professeur Ingrid Stiers de l’Université de la Colombie-Britannique (UBC) à Vancouver, co-auteur de l’étude :
« Nous suivons la propagation des photons radio émis par une balise cosmique, un pulsar, et suivons leur mouvement dans le fort champ gravitationnel d’un pulsar compagnon. Nous voyons pour la première fois comment la lumière est retardée non seulement par la forte courbure de l’espace- temps autour d’un compagnon, mais aussi que la lumière est déviée d’un petit angle de 0,04 degrés. Nous pouvons leur découverte. Une telle expérience n’avait jamais été faite auparavant dans une courbure aussi élevée de l’espace-temps. »
Comme l’a ajouté le co-auteur, le professeur Dick Manchester de l’Organisation australienne de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO), le mouvement orbital rapide d’objets compacts comme ceux-ci leur a permis de tester sept prédictions différentes sur la GR. Celles-ci incluent les ondes gravitationnelles, la propagation de la lumière (« retard de Shapiro et flexion de la lumière), la dilatation du temps et l’équation masse-énergie (E = mc).2), et quel est l’effet du rayonnement électromagnétique sur le mouvement orbital d’un pulsar.
Le télescope Robert C. Bird Green Bank (GBT) en Virginie-Occidentale. Crédit : GBO/AUI/NSF
« Ce rayonnement équivaut à une perte collective de 8 millions de tonnes par seconde ! il a dit. « Bien que cela semble beaucoup, c’est une infime fraction – 3 parties par mille milliards (!) – de la masse du pulsar par seconde. » Les chercheurs ont également effectué des mesures très précises des changements dans l’orientation orbitale des pulsars, un effet relativiste observé pour la première fois avec l’orbite de Mercure – et l’un des mystères que la théorie de la GR d’Einstein a aidé à résoudre.
Seulement ici, l’effet était 140 000 fois plus fort, ce qui a amené l’équipe à réaliser qu’elle devait également prendre en compte l’effet de la rotation du pulsar sur l’espace-temps environnant – alias. Effet Lense-Thirring, ou « faites glisser le cadre ». Le Dr Norbert Weeks de MPIfR, un autre auteur principal de l’étude, a également permis une autre percée :
« Cela signifie d’après notre expérience que nous devons considérer la structure interne d’un pulsar comme un étoile à neutrons. Par conséquent, nos mesures nous permettent pour la première fois d’utiliser un suivi précis des cycles d’étoiles à neutrons, une technique que nous appelons la synchronisation des pulsars pour fournir des contraintes sur l’extension de l’étoile à neutrons. »
Un autre résultat précieux de cette expérience a été la façon dont l’équipe a combiné des techniques de surveillance complémentaires pour obtenir des mesures de distance de haute précision. Des études similaires ont souvent été entravées par de mauvaises estimations de distance dans le passé. En combinant la technologie de synchronisation des pulsars avec des mesures d’interférométrie précises (et des effets ISM), l’équipe a obtenu un résultat haute résolution de 2 400 années-lumière avec une marge d’erreur de 8 %.
Illustration d’artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les faisceaux étroits représentent un sursaut gamma, tandis que le réseau spatio-temporel ondulant dénote les ondes gravitationnelles opposées qui caractérisent la fusion. Crédit : NSF/LIGO/Université d’État de Sonoma/A. Simonet
En fin de compte, non seulement les résultats de l’équipe étaient cohérents avec la GR, mais ils ont également pu voir des effets qui n’auraient pas pu être étudiés auparavant. Comme Paulo Freire, un autre co-auteur de l’étude (également du MPIfR) l’a exprimé :
« Nos résultats complètent bien d’autres études expérimentales qui testent la gravité dans d’autres conditions ou voient différents effets, tels que les détecteurs d’ondes gravitationnelles ou le télescope Event Horizon. Ils complètent également d’autres expériences sur les pulsars, telles que notre expérience de synchronisation avec un pulsar dans un système à trois étoiles. , qui a fourni un test indépendant (et fascinant) de l’universalité de la chute libre.
« Nous avons atteint un niveau de précision sans précédent », a conclu le professeur Kramer. Les expériences futures avec de plus grands télescopes pourraient et continueront d’aller plus loin. Nos travaux ont montré la manière dont de telles expérimentations doivent être conduites et quels effets précis doivent être pris en compte dès maintenant. Peut-être trouverons-nous un jour une déviation de la relativité générale.
L’article décrivant leurs recherches est récemment paru dans la revue X. examen physiqueEt
Publié à l’origine dans univers aujourd’hui.
Pour en savoir plus sur cette recherche :
Référence : « Essais de gravité en champ fort à l’aide de l’étoile double » par M. Kramer et al. 13 décembre 2021, X. examen physique.
DOI : 10.1103/ PhysRevX.11.041050
